《Advanced Science》：Selectivity Filter Dynamics Define Ion Conductance and Selectivity Differences in CNG and HCN Channels
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本综述通过微秒级原子分子动力学模拟与单通道膜片钳电生理实验相结合，系统比较了环核苷酸门控通道与超极化激活环核苷酸门控通道在离子电导和钾离子选择性方面的差异。研究揭示选择性过滤器的独特结构和动态行为是导致这两种结构相似通道功能分化的关键决定因素，为理解其生理作用及理性设计功能定制型阳离子通道提供了新框架。
2.1 模拟电导率重现单通道电导特性
研究团队通过原子分子动力学模拟，系统比较了小鼠HCN2通道和人CNGA1通道的离子传导特性。模拟结果显示，hCNGA1通道的电导率显著高于mHCN2通道，这一趋势与单通道膜片钳记录实验结果一致。特别值得注意的是，模拟成功捕捉到hCNGA1通道的两个关键实验特征：内向电流电导率高于外向电流，以及在负电压下单通道电导水平分布更宽。
为进行更全面比较，研究还引入了钾离子选择性通道MthK作为参考。尽管MthK的模拟电导率与实验测量值存在差异，但其作为钾离子选择性通道的典型代表，为理解HCN和CNG通道的选择性差异提供了重要参照系。
2.2 孔道半径与水合水平的比较分析
通过HOLE程序对孔道半径的分析表明，hCNGA1通道的选择性过滤器在模拟过程中显著变宽，而门控区域则呈现介于开放和关闭状态之间的构象。相比之下，mHCN2通道的孔道结构在整个模拟过程中保持相对稳定。
有趣的是，虽然hCNGA1通道显示出最高的平均水合水平，但三个通道的孔道水合程度与模拟电导率之间并未呈现明确相关性。这一发现表明，单纯的水合水平差异并不能完全解释观察到的电导率差异。
2.3 钾离子渗透自由能谱的特征
自由能谱分析揭示了三个通道在钾离子传导机制上的本质差异。在hCNGA1通道中，选择性过滤器区域显示出最负的ΔG值，表明该区域是主要离子结合区。由于过滤器尺寸较大，离子可以最小限制地移动，导致在过滤器内部没有明显的能量壁垒。
相反，mHCN2通道在选择性过滤器内显示出两个主要钾离子结合位点，分别对应于冷冻电镜结构中确定的S3和S4结合位点，这两个结合位点被约5 kcal/mol的能量壁垒分隔。MthK通道则显示出五个不同的离子结合位点，其能量壁垒大小与mHCN2通道相似。
2.4 选择性过滤器动态特性的差异
通过计算选择性过滤器残基的均方根波动值，研究发现三个通道的SF灵活性与其选择性程度密切相关：非选择性的hCNGA1通道显示出最高的RMSF值（高达0.3 nm），而高选择性的MthK通道的RMSF值最低（约0.05 nm），弱选择性的mHCN2通道则处于中间水平。
特别值得注意的是，hCNGA1和mHCN2通道在过滤器的细胞外侧都显示出比细胞内侧更高的灵活性。这些发现支持了先前的研究结论，即SF的构象可塑性是阳离子非选择性的重要决定因素。
2.5 钾离子渗透过程中的水合状态
对钾离子在渗透过程中第一水合壳层内协调水分子和蛋白质羰基氧数量的分析，进一步揭示了选择性差异的分子基础。在钾离子选择性的MthK通道中，钾离子在SF内的几个主要结合位点完全脱水；而在非选择性的hCNGA1通道中，钾离子仅失去约两个水分子，这些水分子被SF残基的羰基氧配位所取代；mHCN2通道再次表现出中间行为。
这些结果表明，钾离子在SF内的脱水程度与通道的钾离子选择性程度密切相关：MthK中的完全脱水对应强选择性，mHCN2中的部分脱水对应弱选择性，而hCNGA1中的最小脱水对应单价阳离子的非选择性。
3 讨论
本研究通过系统性的模拟与实验相结合的方法，深入揭示了CNG和HCN通道在离子电导和选择性方面差异的结构基础。研究发现，较宽的过滤器尺寸结合多离子协同传导机制支持高电导率，而较窄且构象更刚性的过滤器通过强制钾离子脱水来调控强钾离子选择性。
特别重要的是，研究提出了hCNGA1通道内向电导率高于外向电导率的可能机制：孔道内电荷和疏水性的不对称分布可能导致细胞外侧钾离子积累，从而通过多离子协同传导机制增强离子流速率。同时，hCNGA1通道更宽的单一通道电导分布可能源于其更灵活的孔道几何结构和波动的水合状态。
这些发现不仅深化了对环核苷酸激活离子通道家族功能多样性的理解，也为未来理性设计具有特定功能特性的阳离子通道提供了重要理论基础。
